DNA ist ein empfindsames Wesen, auch ohne Angriffe durch Chemikalien oder UV-Licht. Die Feinde heißen beispielsweise Desaminierung, Oxidation und (nicht-enzymatische) Methylierung.
Spontane Cytosin-Desaminierung z. B. macht aus Cytosin Uracil. Und Uracil paart sich mit Adenin, nicht mit Guanin. Aus einem C-G-Basenpaar wird also ein A-T-Paar. Das kann böse enden.
Tomas Lindahl, der heute emeritiert ist und lange für Cancer Research UK geforscht hatte, wunderte sich, dass dieser Mutagenese-Teufel in vitro erstaunlich oft zuschlägt - viel öfter, als er erwartet hätte und als realistisch erschien. Denn in Lebewesen ist die tatsächliche Mutationsrate extrem niedrig.
Irgendetwas war im Busch. Wenn DNA-Moleküle so leicht kaputtgehen, so Lindahls Überlegung, könnte es dann nicht einen enzymatischen Mechanismus geben, der den Urzustand wiederherstellt?
Kämpfer gegen den DNA-Zerfall
Diesen Schutzmechanismus gegen DNA-Zerfall findet man heute in den Lehrbüchern unter dem Schlagwort "Base Excision Repair". Als ersten Baustein dieser Reparaturtruppe fischte Lindahl eine Uracil-DNA-Glykosylase aus Escherichia coli. Später fanden er und andere Forscher weitere Komponenten, insbesondere auch spezialisierte DNA-Scheren.
Lindahl gelang es schließlich, das ganze Fehlerbehebungs-Prozedere in vitro aus Einzelbestandteilen nachzukochen. DNA-Glykosylasen erkennen geschädigte DNA-Positionen und werfen die kaputte Base raus. Endonukleasen reparieren die Leerstelle in Zusammenarbeit mit der DNA-Polymerase. Eine DNA-Ligase macht schließlich den Sack wieder zu und knüpft eine neue Phophodiesterbrücke.
Aber die Proteine der "Base Excision Repair" sind eine Reparaturtruppe für diese spezielle Art der "spontanen" DNA-Schäden. Fehler in der DNA-Sequenz treten aber auch während der Replikation auf.
Fatale Fehlpaarung
Während der DNA-Replikation gibt es nämlich gelegentlich Basen, die noch nie von Watson und Crick gehört haben und sich zu verbotenen Pärchen zusammenschließen: also z. B. A mit G oder C mit T. Auch für diese Nonkonformisten gibt es ein spezielles Reparaturprogramm, die Mismatch-Reparatur, für dessen Aufklärung Paul Modrich (Duke University) den Nobelpreis bekam. Entscheidend an der Entdeckung beteiligt waren aber auch viele andere Forscher.
Schon 1976 hatten Roger Wagner und Matthew Meselson gezeigt, dass es einen Strang-spezifischen Reparaturmechanismus gibt, der lange DNA-Abschnitte korrigiert. Während der DNA-Synthese gibt es nämlich einen interessanten Unterschied zwischen den beiden DNA-Strängen: Nur die "Vorlage" ist methyliert, der neue Strang dagegen ist für kurze Zeit frei von Methylgruppen. Das, so die Überlegung, könnte ein Weg sein, wie die Zelle zwischen dem per Definition korrekten Vorlage-Strang und dem eventuell fehlerhaften neuen Strang unterscheiden kann. Bald identifizierten verschiedene Forscher erste E.coli-Proteine, die an der Mismatch-Reparatur beteiligt sind, wie etwas das Protein MutH, das Fehlpaarungen erkennt. Aber erst Modrich gelang es 1989, die Mismatch-Reparatur in vitro mit allen Komponenten nachzuvollziehen.
Aller guten Preise sind drei
Als dritter im Bunde bekam Aziz Sancar den Preis zugesprochen, für seine Arbeit an einem weiteren Reparaturmechanismus, der "Nucleotide Excision Repair". Diese DNA-Wächter springen vor allem dann in Aktion, wenn es gilt, UV-induzierte Thymin-Dimere zu reparieren. Schon 1963 zeigte Richard Setlow, dass Escherichia coli-Zellen in der Lage sind, solche UV-Schäden zu beheben. Mutierte, UV-sensitive Stämme konnten das nicht. Heute weiß man auch, dass Mutationen im NER-System verantwortlich für die Symptome der Krankheit Xeroderma pigmentosum sind, einer UV-Überempfindlichkeit.
Aber die Proteine zu identifizieren, die tatsächlich die Reparaturen der UV-Schäden durchführen – uvrA, uvrB und uvrC – das gelang als erstem Aziz Sancar, der heute an der Universität Yale forscht. Sancar nutzte dazu ein raffiniertes Expressions- und Markierungs-System in hypersensitiven Bakterienstämmen. 1983 konnte er in vitro zeigen, dass die drei Reparaturproteine tatsächlich spezifisch an UV-geschädigter DNA herumschnippeln.
Wohl für jeden einzelnen der drei DNA-Reparatur-Mechanismen könnte man eine Reihe weiterer Forscher nennen, die auch Entscheidendes beigetragen haben. Allen voran vielleicht der heute 85-jährige Matthew Meselson, der den Nobelpreis eigentlich in einem Atemzug mit Watson & Crick verdient hätte. Denn nicht nur an der Aufklärung der Mismatch-Reparatur war er als Ko-Autor von Paul Modrich beteiligt. Dass die DNA "semi-konservativ" repliziert wird (die oben erwähnte Sache mit dem Maztrizenstrang), wissen wir von ihm und seinem Kollegen Frank Stahl. Ihr damaliges Experiment halten manche für "das schönste Experiment der Biologie". Für einen Nobelpreis hat das offenbar nicht gereicht.
Hans Zauner
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Quelle: "Scientific Background on the Nobelprize in Chemistry 2015", Royal Swedish Academy of Sciences